Теплоизоляция - Thermal insulation
Теплоизоляция - это уменьшение теплопередачи (т. Е. Передачи тепловой энергии между объектами с разной температурой) между объектами, находящимися в тепловом контакте или в диапазоне радиационного воздействия. Теплоизоляция может быть достигнута с помощью специально разработанных методов или процессов, а также с помощью подходящих форм и материалов объектов.
Тепловой поток - неизбежное следствие контакта между объектами разной температуры . Теплоизоляция обеспечивает область изоляции, в которой снижается теплопроводность , создавая тепловой разрыв или тепловой барьер , или тепловое излучение отражается, а не поглощается телом с более низкой температурой.
Изолирующая способность материала измеряется как величина, обратная теплопроводности (k) . Низкая теплопроводность эквивалентна высокой изолирующей способности ( значению сопротивления ). В теплотехнике другими важными свойствами изоляционных материалов являются плотность продукта (ρ) и удельная теплоемкость (c) .
Определение
Теплопроводность k измеряется в ваттах на метр на кельвин (Вт · м -1 · К -1 или Вт / м / К). Это связано с тем, что теплопередача , измеренная как мощность , оказывается (приблизительно) пропорциональной
- разница температур
- площадь поверхности теплового контакта
- инверсия толщины материала
Отсюда следует, что мощность тепловых потерь определяется выражением
Теплопроводность зависит от материала, а также от температуры и давления жидкости. Для сравнения обычно используется проводимость при стандартных условиях (20 ° C при 1 атм). Для некоторых материалов теплопроводность также может зависеть от направления теплопередачи.
Изоляция достигается за счет помещения объекта в материал с низкой теплопроводностью большой толщины. Уменьшение площади открытой поверхности также может снизить теплопередачу, но это количество обычно определяется геометрией изолируемого объекта.
Многослойная изоляция используется там, где преобладают потери на излучение или когда пользователь ограничен в объеме и весе изоляции (например, аварийное одеяло , излучающий барьер ).
Изоляция цилиндров
Для изолированных цилиндров должен быть достигнут защитный слой критического радиуса . До достижения критического радиуса любая дополнительная изоляция увеличивает теплопередачу. Конвективное тепловое сопротивление обратно пропорционально площади поверхности и, следовательно, радиусу цилиндра, в то время как тепловое сопротивление цилиндрической оболочки (изоляционного слоя) зависит от соотношения между внешним и внутренним радиусами, а не от самого радиуса. Если внешний радиус цилиндра увеличивается за счет применения изоляции, добавляется фиксированная величина проводящего сопротивления (равная 2 × π × k × L (Tin-Tout) / ln (Rout / Rin)). Однако при этом снижается конвективное сопротивление. Это означает, что добавление изоляции ниже определенного критического радиуса фактически увеличивает теплопередачу. Для изолированных цилиндров критический радиус определяется уравнением
Это уравнение показывает, что критический радиус зависит только от коэффициента теплопередачи и теплопроводности изоляции. Если радиус изолированного цилиндра меньше критического радиуса изоляции, добавление любого количества изоляции увеличит теплопередачу.
Приложения
Одежда и естественная изоляция животных у птиц и млекопитающих
Газы обладают плохой теплопроводностью по сравнению с жидкостями и твердыми телами и, таким образом, являются хорошим изоляционным материалом, если они могут быть захвачены. Чтобы еще больше повысить эффективность газа (например, воздуха), он может быть разделен на небольшие ячейки, которые не могут эффективно передавать тепло за счет естественной конвекции . Конвекция включает в себя больший объемный поток газа, обусловленный плавучестью и разницей температур, и она не работает хорошо в небольших ячейках, где небольшая разница в плотности приводит к ее движению, а высокое отношение поверхности к объему малых ячеек замедляет поток газа. в них за счет вязкого сопротивления .
Для образования небольших газовых ячеек в искусственной теплоизоляции можно использовать стекло и полимерные материалы для улавливания воздуха в пеноподобной структуре. Этот принцип используется в промышленности в строительстве и изоляции трубопроводов, таких как ( стекловата ), целлюлоза , минеральная вата , пенополистирол (пенополистирол), уретановая пена , вермикулит , перлит и пробка . Улавливание воздуха также является принципом для всех материалов одежды с высокими изоляционными свойствами, таких как шерсть, пух и флис.
Свойство улавливания воздуха также является принципом изоляции, применяемым домашними животными для сохранения тепла, например, пуховыми перьями , и изолирующими волосами, такими как натуральная овечья шерсть . В обоих случаях основным изолирующим материалом является воздух, а полимер, используемый для удержания воздуха, - это натуральный кератиновый белок.
Здания
Поддержание приемлемой температуры в зданиях (за счет отопления и охлаждения) потребляет значительную часть мирового потребления энергии. В изоляционных материалах зданий также обычно используется принцип небольших захваченных воздушных ячеек, как описано выше, например, стекловолокно (в частности, стекловата ), целлюлоза , минеральная вата , пенополистирол , уретановая пена , вермикулит , перлит , пробка и т. Д. Также использовался асбест , однако он вызывал проблемы со здоровьем.
Изоляционная пленка для окон может применяться для защиты от атмосферных воздействий, чтобы уменьшить приходящее тепловое излучение летом и потери зимой.
При хорошей теплоизоляции здание :
- энергоэффективно и дешевле, чтобы согреться зимой или прохладно летом. Энергоэффективность приведет к сокращению выбросов углекислого газа .
- более комфортно, потому что во всем помещении одинаковая температура. Температурный градиент меньше как по вертикали (между высотой щиколотки и высотой головы), так и по горизонтали от внешних стен, потолка и окон к внутренним стенам, что создает более комфортную среду обитания, когда на улице очень холодно или жарко.
В промышленности энергия должна расходоваться на повышение, понижение или поддержание температуры объектов или технологических жидкостей. Если они не изолированы, это увеличивает потребность процесса в энергии и, следовательно, стоимость и воздействие на окружающую среду.
Механические системы
Системы отопления и охлаждения помещений распределяют тепло по зданиям с помощью труб или воздуховодов. Изоляция этих труб с помощью изоляции труб снижает потребление энергии в пустых помещениях и предотвращает образование конденсата на холодных и охлажденных трубопроводах.
Изоляция труб также используется на трубопроводах водоснабжения, чтобы помочь задержать замерзание труб на приемлемый период времени.
Механическая изоляция обычно устанавливается на промышленных и коммерческих объектах.
Холодильное оборудование
Холодильник состоит из теплового насоса и теплоизолированного отсека.
Космический корабль
Запуск и повторный вход создают серьезные механические нагрузки на космический корабль, поэтому прочность изолятора критически важна (о чем свидетельствует отказ изоляционной плитки на космическом шаттле Columbia , который вызвал перегрев планера шаттла и его разрушение во время входа в атмосферу, что привело к гибели людей. космонавты на борту). Повторный вход через атмосферу вызывает очень высокие температуры из-за сжатия воздуха на высоких скоростях. Изоляторы должны соответствовать высоким физическим свойствам, помимо свойств замедления теплопередачи. Примеры изоляции, используемой на космических кораблях, включают носовой обтекатель из армированного углеродно- углеродного композита и плитки из кварцевого волокна космического шаттла . См. Также Изоляционная краска .
Автомобильная промышленность
Двигатели внутреннего сгорания выделяют много тепла во время цикла сгорания. Это может иметь отрицательный эффект при попадании на различные термочувствительные компоненты, такие как датчики, батареи и стартеры. В результате необходима теплоизоляция для предотвращения попадания тепла выхлопных газов на эти компоненты.
В автомобилях с высокими эксплуатационными характеристиками часто используется теплоизоляция как средство повышения производительности двигателя.
Факторы, влияющие на производительность
На характеристики изоляции влияет множество факторов, наиболее заметными из которых являются:
- Теплопроводность (значение "k" или "λ")
- Коэффициент излучения поверхности (значение "ε")
- Толщина изоляции
- Плотность
- Удельная теплоемкость
- Тепловой мост
Важно отметить, что факторы, влияющие на производительность, могут со временем меняться по мере изменения возраста материала или условий окружающей среды.
Расчет требований
Отраслевые стандарты часто представляют собой практические правила, разработанные на протяжении многих лет, которые компенсируют множество противоречивых целей: за что люди будут платить, стоимость производства, местный климат, традиционные методы строительства и различные стандарты комфорта. Как теплопередача, так и анализ слоев могут выполняться в крупных промышленных приложениях, но в бытовых ситуациях (бытовые приборы и изоляция зданий) воздухонепроницаемость является ключом к снижению теплопередачи из-за утечки воздуха (принудительная или естественная конвекция). После достижения герметичности зачастую бывает достаточно выбрать толщину изоляционного слоя на основе практических правил. Уменьшение отдачи достигается при каждом последующем удвоении изоляционного слоя. Можно показать, что для некоторых систем существует минимальная толщина изоляции, необходимая для реализации улучшения.
Смотрите также
использованная литература
дальнейшее чтение
.